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1、HART協(xié)議簡介及HART智能儀表的組成原理【摘要】HART協(xié)議是由模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程屮唯一向后兼容的智能儀表解決方案，它在提供現(xiàn)場總線的好處時，保留對現(xiàn)有4?20mA系統(tǒng)的兼容性。對于一個典型的HART智能儀表，其電路組成一般包括電源模塊、傳感器接口電路、A/D轉(zhuǎn)換、MCU、D/A輸出等。關鍵詞:HART協(xié)議智能儀表現(xiàn)場總線1刖R70年代中期，工業(yè)過程控制儀表發(fā)展成為統(tǒng)一的兩線制4?20mA標準信號，促進了工業(yè)過程控制系統(tǒng)的發(fā)展。但是從80年代開始，隨著微電子淫的發(fā)展，大量含冇微處理器的
2、智能變送器、控制器和集散系統(tǒng)(DCS)得到了普遍應用?，F(xiàn)場設備與控制室門動化設備間需要傳輸?shù)男畔⒘恳布眲≡黾?。曲于原有??20mA模擬電流回路，只能在一根兩芯電纜屮單向傳輸-個參數(shù)，已經(jīng)不能適應這種要求，所以在現(xiàn)場設備和控制系統(tǒng)之間，迫切需要一種全數(shù)字化的、雙向、多變量的通信規(guī)程，來代替現(xiàn)有的4?20mA模擬傳輸方式。在這種需求的推動下，隨著計算機網(wǎng)絡技術的不斷進步，現(xiàn)場總線技術得到了迅速發(fā)展。HART(HIGHWAYADDRESSABLEREMOTETRANSDUCER,可尋址遠程傳感器通路)
3、是用于現(xiàn)場智能儀表和控制室設備間通信的一種工業(yè)標準通信協(xié)議，它并不是嚴格意義上的現(xiàn)場總線協(xié)議，而只是一種過度性的現(xiàn)場總線標準。2HART協(xié)議簡介雖然HARTI■辦議只是一種由模擬系統(tǒng)向數(shù)字系統(tǒng)轉(zhuǎn)變過程屮的過渡I■辦議，但是由丁HART協(xié)議是唯一向后兼容的智能儀表解決方案，即它可以在提供現(xiàn)場總線的優(yōu)越性的同時，保留對現(xiàn)冇4-20mA系統(tǒng)的兼容性。而且與模擬儀表相比，HART智能儀表在成本不增加太大的前提下，具有易于調(diào)試維護和更高的精度的優(yōu)點，因而在當前的過渡吋期具有較強市場競爭力，在目前智能儀表市場
4、上占有很大的份額。HART協(xié)議使用了ISO/OSI模型的第1、2、7層，即物理層、數(shù)據(jù)鏈路層和應用層。HART通信可以有點對點或多點連接模式。下面將對這三層分別進行簡單的介紹。HART協(xié)議在物理層使用了Bell202標準的頻移鍵控(FSK)信號，在4?20mA信號過程測量模擬信號上疊加了低電平的數(shù)字信號。數(shù)字FSK信號相位連續(xù)，平均值為0,不影響4?20mA模擬信號，從而使模擬信號和數(shù)字雙向通信能同時進行，而不相互干擾。在HART協(xié)議屮物理層屮，規(guī)定通信傳輸速率為1200波特，邏輯“1”由一個周期
5、的1200Hz頻率代表，邏輯“0”由近似兩個周期的2200Hz代表，見圖1和圖2o圖1HART使用FSK技術對數(shù)字信息編碼圖2HART數(shù)字通訊信號疊加在4?20mA模擬信號上HART的數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了通信數(shù)據(jù)的結構、通信模式、用戶接口原語等。比如規(guī)定了在HART通信中，每個字符由11位組成，包括lbit起始位、8bit數(shù)據(jù)位、lbit奇偶校驗位、lbit停止位。HART數(shù)據(jù)鏈路層規(guī)定了HART通信基于主/從(Master/Slave)協(xié)議原理，這意味著只有在主站呼叫吋，現(xiàn)場設備才傳送信息。在一個H
6、ART總線上，可以同吋存在兩個主設備，笫2主設備通常為手持器，如圖3所示。在這種模式下，由于每次數(shù)據(jù)的傳送都必須由主設備發(fā)起,所以數(shù)據(jù)更新速率比較低。當需要更高的數(shù)據(jù)更新速率時，可以使從設備工作在突發(fā)(Burst)模式。當從設備進入突發(fā)模式庇將不斷的發(fā)送指定的HART響應信息，直到主站發(fā)送命令使其退出突發(fā)模式。4-20fnAkAJnhaitt愉譏上圖3HART協(xié)議允許總線上存在兩個主設備HART協(xié)議也支持在一對雙絞線上掛接多臺HART協(xié)議從設備。將HART協(xié)議智能儀表的輪詢地址設為非0,將使其工作
7、在多點模式。在多點模式下,4?20mA模擬信號作廢，流經(jīng)從設備的回路電流固定在4mA。由于每個HART協(xié)議從設備具有唯一的長設備地址，所以主設備可以對每一個從設備進行操作，此時通訊方式只能是主/從模式。HART協(xié)議在應用層規(guī)定了強大的命令集。HART通訊基于命令，也就是主站發(fā)送命令,從站作出相應的響應。HART命令可以分為通用命令、普通常用命令、設備特殊命令三類。通用命令對于所有符合HART協(xié)議的智能設備都適用，口的是確保在大量并不斷增長的來自不同供應商的符合HART協(xié)議的設備間可互操作，并在日常
8、工廠操作中訪問數(shù)據(jù)，即讀取過程測量值,上限、下限范圍，和其他一些信息，諸如生產(chǎn)廠家、型號、位號及描述等。普通常用命令訪問那些大多數(shù)但并非全部設備所具有的功能。這些命令可選，但如果實現(xiàn)，必須被特殊說明，這些命令用于常用的操作如寫阻尼時間常數(shù)等。設備特殊命令是針對各種具體設備的特殊性而設立的，不要求設備之間統(tǒng)一,大多數(shù)用于設備參數(shù)組態(tài)、標校等。在每一個HART命令響應中包含設備狀態(tài)信息，指出設備失效或其他問題，例如模擬輸出飽和、變量超限或通訊錯誤等。一些HART議兼容設備可以連續(xù)檢查設
